專利名稱：接合包覆金屬的方法以及由此制造的器皿的制作方法
技術領域：
本發明涉及包覆器皿。本發明的各實施例包括腐蝕性高壓流體的承載裝置的制造方法的特定應用。這類裝置包括器皿和導管、軟管、箱、壓力器 皿、高壓鍋和熱交換器。
背景技術：
為容納不同的化學品，需要制備由諸如鈦、鋯和鉭的稀有金屬制成的不 同類型的高壓器皿，這方面的需求存在許多工業應用。由于諸如鈦(Ti)的 稀有金屬非常昂貴而且器皿僅有內接觸表面需要由這類材料制成，因而優選 的途徑是使用爆炸包覆焊接(EXW)板或軋制包覆板。EXW板和軋制包覆 板包括鈦板，其壓在諸如碳鋼的基底材料上，形成足夠強的粘合而使包覆板 能夠成形為單一板的形式。特別要指出的是EXW或軋制包覆板的使用，如采用僅含鈦的結構，則 鈦壁厚度必須大于例如10mm。在這種情況下，通常更經濟的解決方法是使 用由例如2mm至16mm厚的薄鈦板所構成的包覆板作為包覆材料。為了進行闡釋，將參照由粘合到較厚鋼層的鈦層所構成的包覆板來描述 本發明。應認識到的是，本發明涵蓋接合包覆板的方法和由這類方法形成的 裝置，其中，包覆板包括其他金屬組合而不限于鈦和碳鋼。為了由包覆板制造形狀和尺寸適宜的器亞，必須接合多個包覆板預成形 件。因此，為使所有分立板接合在一起，就需要焊接各種不同接縫。雖然諸 如碳鋼的基底材料通常直接進行焊接，不過為了如此作為，有必要首先去除 沿待接合的每個包覆金屬件的相對邊緣覆蓋的鈦的邊緣部分。由此產生的問 題在于，在焊接基底金屬之后，接著必須修復鈦層以覆蓋經焊接的基底金屬。
這一問題頗為復雜，原因在于，由于冶金學的原因，鈦例如不能被成功地焊 接至基底金屬，而是必須被焊接至其他鈦上。現在將參照圖1描述現有技術中接合包覆金屬件的方法。圖1是從在形式為鈦包覆鋼的包覆板的第 一件2與第二件4之間的典型 的現有技術接合部26截過的橫截面。所述接合部使用壓條技術。起初，在 形成鋼焊接部6和8的所有邊緣周圍的區域中去除鈦包覆，通常從鋼焊接部 準備邊緣向內12mm。然后準備鋼基底金屬件10和12，并且使用傳統鋼制 造過程應用于焊接部6和8。然后該接合部被清潔并準備用于鈦焊接。在傳 統的壓條技術中，填充金屬條7插入已去除鈦的空間中。填充物的選擇取決 于制造偏好；通常使用的材料包括銅、鋼、鋁和鈦。然后將包含壓條的較寬 鈦條16放置在焊接區域上。所述壓條沿其帶角焊縫18和20的邊緣分別焊 接到鄰近的鈦包覆部分11和13。圖2圖示了采用根據圖1所述的壓條技術將多件包覆板接合在一起而形 成的反應坩鍋。應注意的是，壓條接合部26A-26D突出至坩鍋內部。經常 使用攪拌器來攪拌由包覆板制成的器皿中的容納物，以使器皿中的容納物能 夠混合，并促進反應。器皿中的容納物經常會腐蝕金屬。已發現的問題在于， 已發現壓條接合部26A-26D易于被腐蝕。因此，在鈦包覆中壓條首當其沖 受到破壞，于是就使基底金屬暴露而腐蝕，而且，如果未檢測到，則將導致 壓力器皿受破壞。鈦的熱膨脹系數顯著低于通常為鋼的基底材料。于是，由于器皿的容納 物經常處于較高溫度下，因此，鈦與基底金屬會出現不同的膨脹和收縮，從 而縮短器皿鈦封裝的疲勞壽命。有鑒于此，本發明的目的在于，提供一種用于接合包覆金屬的方法，該 方法可用于制造器皿并解決一種或多種上述問題。本發明的另一目的在于，提供一種包覆板器皿，其不易于出現目前已經 提到的上述問題。所述包覆板器皿可包括鈦封裝
發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種用于接合包覆金屬板的方法，該包覆金屬板具有保護層和基底層，所述方法包括沿待接合的包覆金屬板的邊緣去除保護層的邊緣部分；將所述基底層焊接在 一起以形成暴露的基板焊接部；將與所述保護層類型相同的覆蓋材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使 該覆蓋材料的水平高度與所述保護層的外表面大致平齊；以及將所述覆蓋材料焊接至所述保護層，使得所述保護層、覆蓋材料和位于 此二者之間的焊接部形成厚度大致均勻的外層。所述覆蓋材料可包括一個或更多個墊條。在一個實施例中，所述一個或更多個墊條的邊緣位于所述保護層和所述 基底層的相應界面之間，并鄰接所述待接合的包覆金屬板的邊緣。優選地，在所述相應界面之間形成槽，以岸義接所述一個或更多個墊條的 邊緣。所述覆蓋材料通常包括壓條。在一些實施例中，所述方法包括將所述壓條;^文置在所述一個或更多個 墊條上。所述壓條可形成有朝向所述保護層的外表面向外開口的傾斜側部。在這 種情況下，焊接所述覆蓋材料這一步驟包括產生多個焊接道，以形成將所 述壓條接合到所述保護層的對接焊縫。可替代地，所述壓條可形成有相對所述一個或多個墊條大致呈直角的側 部。在這種情況下，將所述覆蓋材料焊接到所述保護層這一步驟包括將所 述壓條高電流窄間隙焊接到所述保護層。在另一實施例中，所述方法包括沿著所述保護層的相對邊緣形成臺階。在這種情況下，所述覆蓋材料通常包括壓條，所述壓條具有基底部分， 其尺寸使其處在所述臺階之間；和主體部分，其具有使所述基底部分懸垂以 擱置在所述臺階上的唇緣。所述方法可包括如下步驟在放置所述覆蓋材料之后并在將所述覆蓋材料焊接到所述保護層之前，將所述基底層預加熱至預定溫度，以實現對所述覆蓋材料進行預加應力。所述方法還可包括以下步驟將所述覆蓋材料和所述保護層預加熱至所 述預定溫度。根據本發明的第二方面，提供一種用于接合包覆金屬板的方法，該包覆 金屬板具有保護層和基底層，所述方法包括沿待接合的包覆金屬板的邊緣去除保護層的邊緣部分；將所述基底層焊接在一起以形成暴露的基板焊接部；將與所述保護層類型相同的覆蓋材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使 該覆蓋材料的水平高度與所述保護層的外表面大致平齊；將所述基底層預加熱至預定溫度；以及將所述覆蓋材料焊接至所述保護層，以實現一旦冷卻就對所述覆蓋材料 預力口應力。這一方面可包括如下步驟將所述覆蓋材料和所述保護層預加熱至所述 預定溫度。根據本發明的第三方面，提供一種用于接合包i金屬板的方法，該包覆金屬板具有保護層和基底層，所述方法包括沿包覆金屬板的待接合的邊緣去除保護層的邊緣部分；將所述基底層焊接在 一起以形成暴露的基板焊接部；將填充材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使該填充材料的水平高度與 所述保護層的外表面大致平齊；將所述基底層預加熱至預定溫度；放置與所述保護層類型相同的覆蓋材料，以覆蓋所述填充材料；以及 將所述覆蓋材料焊接到所述保護層，以實現一旦隨后冷卻就對所述覆蓋 材泮牛預加應力。
本發明的優選的特征、實施例和變例可通過下文中的"具體實施方式
" 中的內容而獲悉，該部分的內容為本領域普通技術人員提供足夠的信息來實 施本發明。"具體實施方式
"中的內容將參照所附的多個附圖。
圖1是現有技術中的包覆金屬板接合部的截面圖。圖2是采用圖1所示類型的接合部而形成的現有技術中的器亞的截面圖。圖3A圖示根據本發明實施例的待接合的相對的包覆金屬板。圖3B圖示根據本發明實施例的方法中的步驟。圖3C圖示根據本發明實施例的方法中的進一步的步驟。圖3D圖示根據本發明實施例的方法中的進一步的步驟。圖3E圖示根據本發明實施例的方法中的進一步的步驟。圖3F圖示根據本發明實施例的方法中的進一步的步驟。圖3G圖示根據本發明實施例的方法中的進一步的步驟。圖3H圖示根據本發明實施例的方法中的進一步的步驟。圖4A圖示通過根據本發明第二實施例的方法而形成的接合部。圖4B圖示圖4A中的接合部的形成步驟。圖5A圖示通過根據本發明第三實施例的方法而形成的接合部。 圖5B圖示圖5A中的接合部的形成步驟。圖5C圖示用于形成圖5A中的接合部的形式為壓條的覆蓋材料。 圖6圖示通過根據本發明第四實施例的方法而形成的接合部。 圖7圖示根據本發明實施例的器亞。圖8圖示根據本發明實施例的用于將包覆金屬板接合到一起的各步驟 的流程圖。
具體實施方式
現在將參照圖3A - 3F描述根據本發明第 一實施例的用于接合包覆金屬 的方法。圖3A圖示待接合的兩個相對的包覆板件25A和25B的橫截面。每個板 件包括在本示例中由^5友鋼制成的基+反或基底金屬層28A和28B,和在本示 例中由鈦制成的保護性包覆層27A和27B。為了能夠對基底金屬層28A和28B進行焊接，鈦的邊緣部分29沿相對 的每一個邊緣剝離，如圖3B中所示。如圖3C中所示，從基底金屬層28A和28B上去除金屬，以形成表面 50A和50B，表面50A和50B通常分別形成在包覆部分27A、 27B與基底部 分28A、 28B之間的界面下方2mm至3mm深度處。同時準備基底金屬焊接 部，即，對基底金屬層28A和28B進行切削或機加工，以形成相對的傾斜 表面51A、 51B和53A、 53B。然后執行機加工操作，從而在鈦包覆邊緣30A和30B下方形成槽55A、 55B,如圖3D所示。接著將筒要描述基底材料部分28A和28B的接合，可 替代地，可以在該基底材料接合過程之后形成上述槽。圖3E圖示隨后使用傳統鋼焊接技術進行接合的基底金屬層28A和28B。 該過程包括準備所述基底金屬的相反的邊緣，并且通常首先形成內焊接部 31。然后內焊接部的根部從外側背向鑿入(back-gouge)，即從內焊接部的 如圖3E中所示的下側背向鑿入，并形成第二焊接部34，從而完成基底金屬 部分28A與基底金屬部分28B之間的接合。所述內焊接部可被機加工或拋 光而平齊，以確保內表面52平坦。在圖3F中，形式為鈦墊條36A的覆蓋材料被置于焊接部31的上方并 朝向基底材料的邊緣50A —側。然后采用輕槌將墊條36A推送至包覆邊緣 30A之下，乂人而將墊條36A送達如圖3F中所示的最終位置。然后將墊條36B置于焊接部31及基底材料邊緣50B上。然后采用輕槌
將墊條36B推送至包覆邊緣27B之下，從而將墊條36B送達如圖3G中所示 的最終位置。然后，形式為鈦壓條38的另一覆蓋材料設置在墊條36A和36B上，如 圖3H中所示。壓條38的邊緣以及鈦包覆層27A和27B的相對的邊緣30A 和30B已經針對鈦焊接提前進行準備。然后采用傳統方法形成多道鈦焊接部 40A和40B。應注意的是，焊接部40A和40B均為三路焊接部，這是因為， 它們不僅將壓條均接合到相鄰的包覆層，而且還接合到下面的墊條36A和 36B。還應注意的是，因為壓條38與相鄰包覆層厚度相同，而且因為墊條的 上表面大致平齊于包覆層27A和27B的下表面，所以壓條基本上不突出于 相鄰的包覆層之上。因此，才艮據先前所述實施例而形成的器皿不具有易于腐 蝕的突出接合部。進一步的優點在于，焊接部40A和40B沿包覆層的整個 厚度延展，而且為對接焊縫類型，這不同于圖1中所示現有技術實施例中的 角焊接，由于這一事實，焊接部40A和40B強度較高。現在參見圖4A,其圖示了在兩個包覆金屬件之間通過根據本發明另一 實施例的方法而形成的接合。如圖4A所示的接合使用先前根據圖3A-3G 所描述的步驟而形成。在參照圖3G所描述的步驟之后，形式為精確尺寸壓 條42的覆蓋材料被放置在墊條36A和36B上，如圖4A中所示。這就使得， 在壓條與相鄰包覆層27A和27B之間的間隙43A和43B大約lmm寬。然 后形成高電流窄間隙焊接部44A和44B (有時或稱為"鍵孔焊接部")，從 而將壓條接合到相鄰的包覆層27A和27B并接合到下面的墊條，如圖4A中 所示。用于形成如圖4A中所示焊接部的實施例的優點在于，它減小了在壓 條接合部中的殘余應力，而且不必在形成每個4定孔焊接部之前準備壓條42 以及相鄰鈦包覆層27A和27B的邊緣。此外還不必進行多道焊接。圖4A中的接合部相對平滑，使得根據本實施例形成的器皿不具有易于 腐蝕的突出接合部。現在參見圖5A,其圖示了通過根據本發明另一實施例的方法形成的包覆金屬接合部。圖5A中的包覆金屬接合部是通過初始執行根據圖3A-3C
所描述的步驟而形成，不過，在圖3C中并不才幾加工出表面50A和50B。然 后機加工包覆層27A和27B的相對的邊緣，以形成如圖5B中所示的相對的 臺階46A和46B。與包覆層27A和27B材料(例如鈥)相同的壓條47被機 加工，使得位于臺階46A和46B之間的基底部分49與處于臺階46A和46B 上的懸垂唇緣57A和57B分別形成臺階。壓條47形成有傾斜側部59A和 59B,從而提供空間以便在壓條與包覆27A和27B的相對的邊緣30A和30B 之間形成鈦焊接道61A和61B。圖6圖示了圖5A中所示接合部的變例，其中，壓條63具有豎直側， 并精確成形以在包覆層27A和27B的相對邊緣之間緊密裝配，每側上的裝 配間隙大約為lmm。然后形成高電流窄間隙的間隙焊接部65A和65B,以 將壓條63接合到包覆層27A和27B。為了解決基底金屬部分28A和28B與壓條38、 42、 47或63的熱膨脹 差異的這一相關問題，根據圖3A-6所描述的所有方法中加入如下步驟(如 圖8中所示)。在步驟80中基底金屬部分28A和28B被焊接到一起，并且在步驟82 中壓條38、 42、 47或63已經被定位在包覆部分27A與27B之間，但尚未 進行焊接，在此之后，在步驟84中加熱基底金屬部分28A和28B的外側。 執行所述加熱直到鈦的內表面上達到適合的鈦預焊接溫度。溫度被選定以適 于特定應用并高于50。C。然后在步驟86中如上所述對壓條38、 42、 47或 63進行焊接。上述過程的結果是，當蚶鍋冷卻時，壓條38、 42、 47或63處于壓縮狀 態，這是因為，碳鋼具有比鈦更高的熱膨脹系數。這延長了坩鍋的疲勞壽命。類似的過程也可用于接合如圖1中所示的包覆金屬板。初始，所述方法 包括沿著待接合的包覆金屬板的邊緣去除保護層11和13的邊緣部分，并 將基底層10和12焊接在一起以形成暴露的基板焊接部6。然后將填充材料 7沿暴露的基板焊接部6放置，所達到的水平面大致平齊于保護層11和13 的外表面。所述方法還包括將基底層IO和12預加熱至預定溫度，并設置
與保護層11和13類型相同的覆蓋材料16，以覆蓋填充材料7。最后，覆蓋 材料16被焊接至保護層，以在隨后冷卻時對覆蓋材料16預加應力。采用在此所述的一種或多種接合方法由包覆板形成圖7圖示的形式為 坩鍋的裝置。應注意的是，接縫65A-65D并不突出到坩鍋中，這樣，與如 圖1所示的現有技術中的情況相比，抗腐蝕性得到顯著改善。應理解的是，本發明并不限于所示或所述的特定特征，這是因為，在此 所述的裝置包括有效實施本發明的優選形式。因此，本發明涵蓋了在所附權 利要求的正確范圍內的任何形式及修改，本發明的范圍將基于本領域普通技 術人員的適合解釋。
權利要求
1、一種用于接合包覆金屬板的方法，該包覆金屬板具有保護層和基底層，所述方法包括沿待接合的包覆金屬板的邊緣去除保護層的邊緣部分；將所述基底層焊接在一起以形成暴露的基板焊接部；將與所述保護層類型相同的覆蓋材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使該覆蓋材料的水平高度與所述保護層的外表面大致平齊；以及將所述覆蓋材料焊接至所述保護層，使得所述保護層、覆蓋材料和位于此二者之間的焊接部形成厚度大致均勻的外層。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中所述覆蓋材料包括一個或更多個 墊條。
3、 根據權利要求2所述的方法，其中所述一個或更多個墊條的邊緣位 于所述保護層和所述基底層的相應界面之間，并鄰近所述待接合的包覆金屬 板的邊緣。
4、 根據權利要求3所述的方法，包括在所述相應界面之間形成槽， 以承^接所述一個或更多個墊條的邊緣。
5、 根據權利要求4所述的方法，其中所述覆蓋材料包括壓條。
6、 根據權利要求5所述的方法，包括將所述壓條放置在所述一個或 更多個墊條上。
7、 根據權利要求6所述的方法，其中所述壓條形成有朝向所述保護層 的外表面敞開的傾斜側部。
8、 根據權利要求6所述的方法，其中所述壓條形成有相對所述一個或 更多個墊條大致呈直角的側部。
9、 根據權利要求8所述的方法，其中所述將所述覆蓋材料焊接至所述 保護層這一步驟包括將所述壓條高電流窄間隙焊接到所述保護層。
10、 根據權利要求7所述的方法，其中所述焊接所述覆蓋材料這一步驟 包括產生多個焊接道，以形成將所述壓條接合到所述保護層的對接焊縫。
11、 根據權利要求1所述的方法，包括沿著所述保護層的相對邊緣形 成臺階。
12、 根據權利要求11所述的方法，其中所述覆蓋材料包括壓條，所述 壓條具有基底部分，其尺寸使其處在所述臺階之間；和主體部分，其具有 使所述基底部分懸垂以擱置在所述臺階上的唇緣。
13、 根據權利要求1所述的方法，包括步驟在放置所述覆蓋材料之后 并在將所述覆蓋材料焊接到所述保護層之前，將所述基底層預加熱至預定溫 度，以實現對所述覆蓋材料進行預加應力。
14、 根據權利要求13所述的方法，包括步驟將所述覆蓋材料和所述 保護層預加熱至所述預定溫度。
15、 一種用于接合包覆金屬板的方法，該包覆金屬板具有保護層和基底 層，所述方法包括沿待接合的包覆金屬板的邊緣去除保護層的邊緣部分； 將所述基底層焊接在一起以形成暴露的基板焊接部； 將與所述保護層類型相同的覆蓋材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使 該覆蓋材料的水平高度與所述保護層的外表面大致平齊； 將所述基底層預加熱至預定溫度；以及將所述覆蓋材料焊接至所述保護層，以實現一旦隨后冷卻就對所述覆蓋 才才料予貞加應力。
16、 根據權利要求15所述的方法，包括步驟將所述覆蓋材料和所述 保護層預加熱至所述預定溫度。
17、 一種包覆金屬板的接合方法，該包覆金屬板具有保護層和基底層， 所述方法包括沿包覆金屬板的待接合的邊緣去除保護層的邊緣部分； 將所述基底層焊接在一起以形成暴露的基板焊接部； 將填充材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使該填充材料的水平高度與 所述保護層的外表面大致平齊；將所述基底層預加熱至預定溫度；放置與所述保護層類型相同的覆蓋材料，以覆蓋所述填充材料；并且將所述覆蓋材料焊接到所述保護層，以實現如下目標，即， 一旦冷卻就 對所述覆蓋材料預加應力。
18、 一種利用根據權利要求1所述的方法用包覆金屬板構造的裝置。
19、 一種利用根據權利要求15所述的方法用包覆金屬板構造的裝置。
全文摘要
本發明涉及一種用于接合包覆金屬板的方法，所述包覆金屬板具有諸如鈦的保護層(27)和諸如碳鋼的基底層(28)，所述方法包括首先沿所述待接合的包覆金屬板的邊緣去除保護層的邊緣部分(29)。然后所述基底層被焊接在一起以形成暴露的基板焊接部(31)。然后與所述保護層(27)類型相同的覆蓋材料(38)沿所述暴露的基板焊接部(31)放置，該覆蓋材料的水平高度與所述保護層(27)的外表面大致平齊。基底層(28)在焊接所述覆蓋材料之前被加熱，使得所述覆蓋材料在冷卻時被預加應力。所述方法可用于制造具有接縫的反應器皿，所述接縫不會突出到所述器皿的內表面的其余部分。與過去的情況相比，所述不突出的接縫不易于被腐蝕，使得器皿能夠具有較長壽命。本發明涵蓋諸如高壓鍋、坩鍋的器皿和由通過所述方法接合的包覆板形成的反應器皿。
文檔編號F16B5/08GK101128278SQ200580048665
公開日2008年2月20日 申請日期2005年8月10日 優先權日2005年2月24日
發明者唐納德·約瑟夫·旺特 申請人:W·E·史密斯工程私人有限公司